Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Там, где рассеивание теплоты создает преимущественно неустойчивость, поверхностное натяжение порождает устойчивость. Действие этой силы ведет к тому, что вещество приобретает более плавные, похожие на стенки мыльного пузыря, очертания, поскольку для создания грубо очерченных поверхностей требуется энергия. Баланс указанных тенденций зависит от размера кристалла. В то время как рассеивание является по преимуществу крупномасштабным, макроскопическим процессом, поверхностное натяжение сильнее действует на микроскопическом уровне.

Традиционно допускалось, что для практических целей можно пренебречь действием поверхностного натяжения, поскольку оно очень незначительно. Но это не так. Происходящее в ничтожных масштабах могло сыграть решающую роль. Именно на микроуровне поверхностные эффекты обнаружили бесконечную чувствительность к молекулярной структуре отвердевающего вещества. В случае со льдом естественная симметрия молекул приводит к возникновению тенденции к росту в шести направлениях. К своему изумлению, ученые выяснили, что сочетание стабильности и неустойчивости усиливает эту тенденцию, создавая почти фрактальное кружево, из которого и получаются снежинки. Причем математическое описание процесса дали не те, кто изучал атмосферу, а физики-теоретики и металлурги. Последними руководил свой интерес: молекулярная симметрия металлов различна, а значит, различна и форма характерных кристаллов, которая определяет прочность сплава. Но математика здесь та же, ведь законы формирования таких моделей универсальны.

Сильная зависимость от начальных условий служит целям созидания, а не разрушения. Пока растущая снежинка летит к земле, с час или дольше паря в токах воздуха, ветвление ее лучиков в каждый конкретный момент зависит от таких факторов, как температура, влажность и загрязнение атмосферы.

Баланс стабильности и неустойчивости. По мере того как жидкость затвердевает она образует растущий отросток (показанный на снимке с многократной экспозицией слева вверху)с границами, которые становятся неустойчивыми и позволяют тем самым образовываться ответвлениям. Компьютерное моделирование этих тончайших термодинамических процессов воспроизводит реальный процесс образования снежинок.

Шесть кончиков одной-единственной снежинки, которая занимает в пространстве не более миллиметра, подвергаются воздействию одной и той же температуры, а поскольку законы роста и развития детерминистские по своей сути, в снежинке появляется близкая к идеалу симметрия. Но природа турбулентного воздушного потока такова, что ни одна снежинка не повторяет маршрут предыдущей. В итоге конечная форма снежного кристалла отображает все изменения погодных условий, действию которых он подвергался, а количество их комбинаций безгранично.

Физики любят повторять, что снежинки – неравновесный феномен. Это продукт дисбаланса в перетекании энергии от одного фрагмента природы к другому. Благодаря такому перетеканию на контуре кристалла появляется сначала острие, потом целое множество ответвлений, которые, в свою очередь, превращаются в сложную, невиданную структуру. Открыв, что неустойчивость такого рода подчиняется универсальным законам хаоса, ученые смогли применить те же методы ко множеству проблем физики и химии и теперь неизбежно считают, что подошла очередь биологии. Это отчасти подсознательное ощущение. Наблюдая за компьютерным моделированием роста дендритов, ученые воображают морские водоросли, стенки клеток, делящиеся и развивающиеся организмы[403].

К настоящему времени открыто множество путей проявления хаоса, начиная с невидимых микроскопических частиц и заканчивая доступной глазу повседневной сложностью. В математической физике теория бифуркаций Фейгенбаума и его коллег получила распространение среди ученых Соединенных Штатов и Европы. В абстрактных областях теоретической физики положено начало исследованию новых проблем, таких как еще не решенный вопрос о квантовом хаосе: приемлет ли квантовая механика хаотический феномен механики классической? Изучая движение жидкостей, Либхабер соорудил гигантскую емкость с гелием, в то время как Пьер Хоэнберг и Гюнтер Алерс занялись анализом распространения причудливых волн конвекции[404]. В астрономии специалисты по хаосу используют необычные модели гравитационной неустойчивости, чтобы истолковать происхождение метеоритов – необъяснимое выталкивание астероидов из области Солнечной системы, расположенной за орбитой Марса[405]. Биологи и физиологи используют физику динамических систем для изучения иммунной системы человека с ее миллиардами компонентов и способностью к обучению, запоминанию и распознаванию объектов. Они также размышляют над эволюцией в надежде отыскать универсальные механизмы адаптации[406]. Те, кто строит подобные модели, достаточно скоро начинают замечать в них структуры, которые повторяют сами себя, конкурируют и развиваются путем естественного отбора.

«Эволюция – это хаос с обратной связью», – утверждал Джозеф Форд[407]. Вселенная воплощает в себе беспорядочность и диссипацию. Но беспорядочное, заключающее в себе некую тенденцию, может порождать удивительную сложность. И, как обнаружил Лоренц много лет назад, диссипация является вестником порядка.

«Бог играет в кости со Вселенной, – таков был ответ Форда на известный вопрос Эйнштейна. – Но это шулерские кости. И сейчас главная цель физики состоит в том, чтобы выяснить, какими правилами руководствуется Всевышний, а затем использовать их в собственных целях»[408].

Такие идеи помогают двигать вперед коллективную научную деятельность. И все же ни философии, ни доказательств, ни опытов не было достаточно, чтобы поколебать отдельных ученых, которых наука должна прежде всего и всегда обеспечивать пригодным для работы инструментарием. В некоторых лабораториях традиционные методы уже изживают себя, дорогое оборудование не оправдывает возложенные на него надежды. Нормальная наука, как выразился Кун, «сбилась с пути, и ей больше не удается обходить аномальные явления»[409]. Веяния хаоса не могли возыметь действие на каждого ученого, пока метод новой дисциплины не доказал свою необходимость.